基于COMSOL的非煤地下礦山機械通風系統研究

秦小艷 王宏圖 朱藝文 袁志剛

1.西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室

2.復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室，重慶 400044

基于COMSOL的非煤地下礦山機械通風系統研究

秦小艷1,2王宏圖1,2朱藝文1,2袁志剛1,2

1.西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室

2.復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室，重慶 400044

為優化非煤地下礦山炮后污風排放，本文運用COMSOL Multiphysics軟件，對黃坡山石灰石地下礦山機械通風流場進行數值模擬。模擬結果表明：隨著時間的推移，巷道內各點風流速度逐漸增大，但增大至一定程度后風流速度逐漸穩定，即達到穩定流動狀態；抽風管的影響范圍為15m～18m左右。機械通風流場數值模擬結果與現場試驗結果具有很好的一致性，驗證了該數學模型及數值解法的正確性和適用性，為機械通風系統施工參數優化提供指導作用。

地下礦山；機械通風；流場；數值模擬

學科分類與代碼:6202740(安全模擬與安全仿真學)

引言

地下礦山工作空間狹小、采礦作業過程中產生的粉塵和有毒有害氣體不能及時擴散等特殊的生產條件，使得地下礦山采掘過程中的不安全因素增多。礦井污染物含量的高低與礦井的通風系統有著直接的聯系。近年來，機械通風系統的使用在國內非煤地下礦山中得到普及，但我國非煤地下礦山采礦主要利用自然通風方式進行炮后作業。不利于污風的排放；易導致有毒氣體局部聚集，造成人員中毒等隱患。因此，建立一個有效與完善的通風系統是非常必要的[1]。

1 采場概況

黃坡山石灰石地下礦山開采的石灰巖，開采厚度為6m。頂、底板為灰巖，頂底板巖石力學強度高，穩定性較好。礦層延伸較穩定，礦層總體傾向89°，傾角1°～2°，采用主平硐+斜坡道開拓方式。在該地下礦山工作面上采用大管道抽出式機械通風，供風量為630m3/min。工作面采用放炮落巖，自然通風。

2 數學模型

2.1 物理模型

圖1 采場物理模型示意圖

鑒于地下采場巷道溫度、頂底板較穩定，巷道斷面積無明顯變化，因此對物理模型進行簡化。根據黃坡山石灰巖礦山工作面的實際情況，建立二維模型，模型長為100m，寬為60m，在工作面正中位置布置一抽風管道，管道直徑1m，風機抽風口距工作面10m，上下邊界處有兩個進風口，模型如圖1所示。

2.2 數學模型

(1)假設條件[2-4]

根據熱工理論基礎，可認為巷道里面的空氣滿足氣體狀態方程，即：

式中：3P—空氣壓力，Pa；—空氣密度，kg/m；R—空氣常數，約297J/kg；T—空氣決定溫度，K。

其次，將巷道內空氣流動的壓力視為常數，可得：

另外，試驗巷道內空氣流動為低速流動，可將巷道內的空氣當作不可壓縮流體看待，即：

而且，巷道內的空氣溫度的變化不大，也就是密度變化不大，則巷道內的風流流動符合Bonssinesq假設[5]，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱，同時假定壁面絕熱，等溫通風。

(2)數學模型[6,7]

根據假設條件，應用流體力學知識，基于牛頓第二定律，采用不可壓縮的Navier-Stokes方程描述流體在采場中的運動規律，Navier-Stokes方程可表示為：

式中：u為流體流速，m/s；p為流體壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；η為動粘系數，Pa s；I為單位矢量；F為流體阻力。

3 通風流場數值模擬

3.1邊界條件

根據流場基本假設及現場的實際條件，上下邊界的兩個進風口設置為速度入口，入口實測平均風速為3m/s；通風管道抽風口處邊界為壓力邊界，出口壓力為風機所提供負壓，設置為-3.9KPa；其余邊界上施加無滑動邊界條件，即假設該邊界上氣體流動速度為0。

3.2 網格的劃分

針對上述模型，網格劃分采用非結構化網格，由于抽風口處的風流速度梯度大，為了計算更加精確，對抽風口處進行網格加密，如圖2所示。

圖2 流場網格劃分圖

3.3 模擬結果及分析

根據上述的計算模型和邊界條件，用COMSOL 3.5a多物理場耦合分析軟件對采場通風流場二維流場進行數值計算，用COMSOL 3.5a的后處理模塊得到采場空間內各處風流速度分布圖和采場風流流線分布圖(圖3～6)。

圖3 時間為9s時采場風流速度分布圖

圖4 時間為20s時采場風流速度分布圖

圖5 時間為50s時采場風流速度分布圖

圖6 時間為50s時采場風流流線分布圖

從圖3～圖5可知，隨著時間的推移，采場內各點風流速度增大，在20s左右達到穩定狀態。可看出：抽風機能較快抽出污風，增加安全性。風流速度最大點出現在抽風管抽風口附近，速度可達到10m/s左右，管道直徑為1m，利用經驗公式計算得供風量為600m3/ min，與工作面所需風量相吻合。

從圖6可知，流速分布曲線由抽風口附近向外逐漸變稀，說明離開抽風口后風流速度衰減較快。距抽風口豎直方向15m～18m范圍內的采場工作面風流速度比較均勻穩定，大于18m以后風流流速曲線急劇向內凹，說明風流速度隨著與抽風管口距離的變大而變小，距離在15m～18m處最小。

3.4 模擬結果與實測數據對比

在黃坡山石灰石礦山工作面利用發煙管煙霧觀測，同時利用風速傳感器距抽風口由近到遠選取六個測點檢測風流速度，結合模擬計算結果得出實測風流速度與模擬風流速度對比如圖7所示。從圖7中可以看出，模擬結果與實測數據基本吻合，風流速度變化趨勢和規律基本一致。

圖7 實測與模擬風速對比

4 結語

1)模擬得出風流速度最大點出現在抽風管抽風口附近，速度可達到10m/s左右，通過計算可知模擬工作面風量與現場實際所需風量相近，說明模擬結果較合理。

2)抽風管的影響半徑為15m～18m左右，實際工程應用中，將相鄰兩抽風管管口布置在相距30m左右的位置上，可達到最佳通風效果。

3)通風流場數值模擬結果與現場試驗結果具有很好的一致性，表明通風流場數值模擬結果能夠用于現場施工作業指導。

[1]王海寧.礦井風流流動與控制[M].北京:冶金工業出版社，2007.

[2]馬駿馳.基于ANSYS的機械通風溫室內流場及溫度場的數值模擬[D].武漢.華中農業大學，2006.

[3]王海橋,施式亮,劉榮華等.獨頭巷道附壁射流通風流場數值模擬研究[J].煤炭學報，2004,29(4):426-428.

[4]唐明云,戴廣龍,秦汝祥等.綜采工作面采空區漏風規律數值模擬[J].煤炭學報，2012,43(4):1494-1498.

[5]ZHANG Dian-xin, TAO Jian-hua. A Boussinesq model with alleviated nonlinearity and dispersion [J] Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)，2008, 29(7):897-908.

[6]龍天渝,蘇亞欣.計算流體力學[M].重慶:重慶大學出版社,2007.

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TD712

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.009